一種同步Mesh網絡的時隙分配方法
【專利摘要】一種同步Mesh網絡的時隙分配方法，包括如下步驟：1）各節點根據自己的業務量大小計算出需要的時隙數量；2）所述節點根據所需的時隙數量生成時隙申請包并發送給其父節點；3）所述父節點收集時隙申請包后，統一為其所有的子節點分配時隙；4）所述父節點生成時隙分配結果包，并發給各子節點。本發明解決了現有技術中基于業務等級的時隙分配方法因頻繁的帶寬申請導致帶寬振蕩和大量的空閑時隙造成時隙浪費的技術問題，實現了時隙分配的公平化，減少因頻繁的帶寬申請而導致的帶寬振蕩，減少時隙分配過程中產生的空閑時隙數量，最大程度地避免時隙浪費，提高了網絡的傳輸效率和服務質量，特別適用于基于多扇區陣列天線的同步Mesh網絡的時隙分配。
【專利說明】—種同步Mesh網絡的時隙分配方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種同步網絡的時隙分配方法，具體地說是同步無線Mesh網絡的時隙分配方法。
【背景技術】
[0002]無線Mesh網絡(Wireless Mesh Network)是一種高容量、高帶寬的分布式網絡,可以看成是無線局域網WLAN和Ad hoc移動自組織網絡的融合，且發揮了兩者的優勢。無線Mesh網絡能在一個廣闊的區域中實現多跳(Mult1-Hops)的無線通信，其組網快速、布網靈活、抗毀性強、維護容易、穩定度高，成為下一代無線通信系統的關鍵技術之一。基于多扇區陣列天線的同步Mesh網絡不同于一般的無線Mesh網絡,它是無線Mesh網絡的一種高級形態，組網技術層面采用“空分復用” + “時分復用”相結合的技術體制。采用多扇區陣列天線技術和高速天線掃描技術，使得它具有“空分復用”的特征；采用同步組網技術，使得它又具有“時分復用”的特征。這兩大特征的有機結合使得這種無線Mesh網絡有別于其它無線Mesh網絡技術，它可以控制和協調網絡中同時出現的傳輸，降低網絡中的沖突和競爭，并能提高空域和頻譜重用率，提供更高的網絡吞吐量和可擴展性。基于多扇區陣列天線的同步Mesh網絡中，主要有兩大類節點:網關節點GN (Gateway Node)和骨干節點BN (BackboneNode)。網關節點GN主要實現全網的系統管理，包括網絡的時鐘同步與時隙同步、網絡拓撲管理、地址分配，同時還可以實現有線接入功能，提供到上級網絡的接入能力。骨干節點BN密切配合網關節點GN，協調其上下游節點的時隙分配，但主要是負責延伸網絡的覆蓋范圍，提供用戶的有線/無線接入功能。在這種無線Mesh網絡中，節點使用時隙的有效分配對于整個網絡的服務質量高低而言非常關鍵，尤其是對語音、視頻信息的實時和連貫性傳輸而言，更需要時隙分配的均勻性。
[0003]現有專利文獻CN102196578A中公開了一種用于無線傳感器網絡的交叉時隙分配方法，該方案中的基于業務等級加權的交叉時隙塊分配方法為業務等級高的節點分配較多的時隙，但是節點的業務等級一般反映的是該節點承載的業務類別或者是在網絡拓撲結構中所處的位置的重要性大小，卻不能反映節點承載的業務量多少。當網絡中的某個節點的業務等級不高，但是業務量卻很大時，按照該方案的時隙分配原則，該節點將分得較少的時隙，導致該節點的業務很難在分得的連續時隙內完成傳輸，從而需要頻繁地申請帶寬，導致帶寬的振蕩；反之，當網絡中的某個節點的業務等級較高，但是業務量卻很少時，按照該方案的時隙分配原則，該節點將分得較多的時隙，該節點完成業務傳輸后仍有大量的空閑時隙，造成時隙的浪費。

【發明內容】

[0004]為此，本發明所要解決的技術問題在于現有技術中基于業務等級的時隙分配方法因頻繁的帶寬申請導致帶寬振蕩和大量的空閑時隙造成時隙浪費的問題，從而提出一種可以公平地分配時隙，減少帶寬振蕩和空閑時隙的同步Mesh網絡的時隙分配方法。[0005]為解決上述技術問題，本發明提供一種同步Mesh網絡的時隙分配方法。
[0006]包括如下步驟:
(1)各節點根據自己的業務量大小計算出需要的時隙數量；
(2)所述節點根據所需的時隙數量生成時隙申請消息并發送給其父節點；
(3)所述父節點收集時隙申請消息后，統一為其所有的子節點分配時隙；
(4)所述父節點生成時隙分配結果包，并發給各子節點。
[0007]所述步驟(I)中，所述業務量大小根據歷史業務量和當前數據緩沖區中的業務量計算得出。
[0008]所述計算業務量大小的方法如下:
業務量TNi的計算公式如下:
其中，
TNi為節點i的業務量大小；
入為加權因子，取值范圍O?I之間；
Tifsi為節點i所有轉發的業務量，歷史統計時間t內；
Ti為節點i所有發送失敗和丟棄的業務量，歷史統計時間t內；
TBi為表示節點i當前業務緩沖區內待發送的業務量；
D為待發送業務量的排隊時間限制，或為排隊業務量的最長發送時間； δ為用于進行數據傳輸的時隙使用效率。
[0009]在所述步驟(3)中，統一為子節點分配時隙的方法如下:
當各子節點的時隙需求之和沒有超過父節點可以分配的總量時，父節點按照各子節點的實際時隙需求分配時隙；
當各子節點的時隙需求之和超過自己可以分配的總量時，則父節點按照各子節點的時隙需求所占時隙需求之和的比例給各子節點分配相應的時隙。
[0010]在所述步驟(3)中，采用先滿足父節點自身的時隙需求再滿足其子節點的時隙需求的分配策略。
[0011]在步驟(I)前，新節點在入網階段，采用初始的時隙分配方案，用于進行鏈路質量測試和入網認證等協議數據的交互工作。
[0012]在所述步驟(I)之前，還包括初始的時隙分配步驟。所述初始的時隙分配方案為，新節點的父節點根據自己子節點的個數，把所有能用于和子節點通信的時隙數的平均量分配給新入網節點。
[0013]本發明的上述技術方案相比現有技術具有以下優點:
(I)本發明所述的同步Mesh網絡的時隙分配方法包括如下步驟:1)各節點根據自己的業務量大小計算出需要的時隙數量；2)所述節點根據所需的時隙數量生成時隙申請消息并發送給其父節點；3)所述父節點收集時隙申請消息后，統一為其所有的子節點分配時隙；4)所述父節點生成時隙分配結果包，并發給各子節點。這樣父節點根據各子節點的業務量大小進行合理的時隙分配，給業務量大的節點分配較多的時隙，業務量小的節點分配較少的時隙，實現了時隙分配的公平化，減少因頻繁的帶寬申請而導致的帶寬振蕩，減少時隙分配過程中產生的空閑時隙數量，最大程度地避免時隙浪費，有效地提高了網絡的傳輸效率和服務質量(QoS)。
[0014](2)本發明所述的同步Mesh網絡的時隙分配方法中的業務量大小根據歷史業務量和當前數據緩沖區中的業務量計算得出，業務量大小TNi的計算公式為=TNi = λ (Tifsi+ Ti#i)/t + (1-λ ) X TBi/ (DX δ )，其中λ為加權因子，取值范圍O?I之間，技術人員可以根據具體需要進行設置，這樣可以綜合考慮歷史業務量和當前業務量對節點傳輸的影響，提高了業務量計算的準確性，避免了帶寬振蕩。
[0015](3)本發明所述的同步Mesh網絡的時隙分配方法采用先滿足父節點再滿足子節點的時隙分配策略。在無線Mesh網絡中，除了根節點GN和葉節點外，每個骨干節點BN具有父節點和子節點的雙重身份，本節點為自己的子節點分配時隙時必須遵循自己父節點的時隙分配意愿，這樣為子節點分配的時隙不影響父節點為自己分配的時隙，避免頻繁的帶寬申請導致帶寬震蕩。
[0016](4)本發明所述的同步Mesh網絡的時隙分配方法在新節點的入網階段，采用初始的時隙分配方案，用于進行鏈路質量測試和入網認證等協議數據的交互工作。所述初始的時隙分配方案為，新節點的父節點根據自己子節點的個數，把所有能用于和子節點通信的時隙數的平均量分配給新入網節點，這樣既能保證新節點的快速入網，又能維持其它兄弟節點通信帶寬的穩定性和持續性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]為了使本發明的內容更容易被清楚的理解，下面根據本發明的具體實施例并結合附圖，對本發明作進一步詳細的說明，其中
圖1是基于多扇區陣列天線的同步Mesh網絡的時隙分配示意圖；
圖2是同步Mesh網絡幀結構的示意圖；
圖3是新入網節點時隙分 配流程的示意圖；
圖4是已入網節點時隙分配流程的示意圖。
【具體實施方式】
[0018]實施例1
本實施例提供一種基于多扇區陣列天線的同步Mesh網絡的時隙分配方法。基于多扇區陣列天線的同步Mesh網絡中包括有兩大類節點，其中一類節點為網關節點GN，另外一類節點為骨干節點ΒΝ，如圖1所示，GN是網關節點，即根節點，BNl，ΒΝ2…ΒΝ5是骨干節點。本實施例中骨干節點的個數是5個，作為其它可以變換的實施方式，骨干節點的個數可以根據實際需要設置任意有限個數。每個節點的天線均采用多扇區陣列天線，扇區天線的數量為N(N—般等于3、4、6、8、10、12、15、18…)，本實施例中N等于12，作為其它可以變換的實施方式，所述N可以根據需要設置，如選擇設置為8或10。N個扇區天線實現360°的全向覆蓋。
[0019]同步Mesh網絡的幀結構如圖2所示，主要由I秒幀、分幀、子幀、時隙和時間片(或稱微時隙)組成。
[0020]I秒幀:由k個分幀(編號:0?k-Ι)組成，每個分幀的時長為1000/k毫秒。
[0021]分幀:由j個子幀(編號:0?j-Ι)組成，每個子幀的時長為10毫秒，因此，kX j=100，本實施例中取k=10，j=10。作為其它可以變換的實施方式，所述k、j在滿足kXj =100的條件下，可以根據需要設置，如選擇設置為k=20，j=5。
[0022]子幀:由10個時隙(編號:0-9)組成，每個時隙的時長為I毫秒。
[0023]時隙:1個時隙進而可以等分成10個微時隙，每個微時隙為100微秒。時隙的類型有3種，分別是=Hello時隙、競爭時隙、非競爭時隙。
[0024]Hello時隙:用于處理Hello問候包,供新節點入網；
競爭時隙:平均分配給各扇區的陣列天線，用于父節點接收子節點的時隙請求包，供子節點獲得發送數據的機會；
非競爭時隙:用于父子節點間的數據業務傳輸和通信鏈路維護。
[0025]圖2中，子幀O的第I個時隙(時隙O)為Hello時隙，后面的9個時隙為非競爭時隙； 其余子幀(編號I-j-Ι)的第I個時隙(時隙O)為競爭時隙，后面的9個時隙為非競
爭時隙；
每個子幀內的9個非競爭時隙中:前2個時隙(時隙1、時隙2)為不可分配時隙，用于無線Mesh網絡的各層級節點監聽其父節點；后7個時隙(時隙3-時隙9)為可分配時隙。
[0026]對于上述可分配的時隙資源，采用本發明所述的同步Mesh網絡的時隙分配方法，此處為基于多扇區陣列天線的同步Mesh網絡的時隙分配方法，包括如下步驟:
(1)各節點根據自己的業務量大小計算出需要的時隙數量，圖1中GN是根節點，BNl,BN2，BN3是GN的子節點，BN4, BN5是BN3的子節點；
(2)子節點BN1，BN2...BN5根據所需的時隙數量生成時隙申請消息，并在競爭時隙內發送給其父節點；
(3)父節點GN，BN3在競爭時隙內收集子節點的時隙申請消息，并根據其可分配時隙的總數量統一為其所有的子節點分配時隙；
(4)父節點GN，BN3生成時隙分配結果包，并發給各子節點。
[0027]實施例2
本實施例提供一種同步Mesh網絡的時隙分配方法，包括如下步驟:
(I)新節點在入網階段的時隙分配流程如圖3所示，通過偵聽Hello廣播包確定父節點，其父節點采用初始的時隙分配方案為該新節點分配時隙，用于進行鏈路質量測試和入網認證等協議數據的交互工作。所述初始的時隙分配方案為，新節點的父節點根據自己子節點的個數，把所有能用于和子節點通信的時隙數的平均量分配給新入網節點。
[0028](2)入網后的節點采用圖4所示的已入網節點的時隙分配方案，各節點根據自己的業務量大小計算出需要的時隙數量，所述業務量大小根據歷史業務量和當前數據緩沖區中的業務量計算得出。
[0029]業務量具體的計算公式如下:
TNi = λ (Tii + T丟棄 J/t + (l-λ ) X TBi/ (DX δ )(I)
式(I)中，
TNi為節點i的業務量；
λ為加權因子，取值范圍O-I之間，本實施例中λ取0.5，作為其它可以變換的實施方式，可以根據需要靈活設置；
Tifsi為節點i所有.轉發的I務量:，歷史統i十時間t內，所述歷史統i十時間t為當前時刻之前的一段固定時長，本領域的技術人員可以根據需要進行設置；
T丟失i為節點i所有發送失敗和丟棄的業務量，歷史統計時間t內，所述歷史統計時間t為當前時刻之前的一段固定時長，本領域的技術人員可以根據需要進行設置；
TBi為表示節點i當前業務緩沖區內待發送的業務量；
D為待發送業務量的排隊時間限制，或為排隊業務量的最長發送時間； δ為用于進行數據傳輸的時隙使用效率。
[0030]每I秒幀內，I個數據傳輸時隙(Ims)中的數據傳輸速率為:
V= V調制 X δ/N(2)
式(2)中:
V調制表示無線Mesh物理層的調制速率； δ為用于進行數據傳輸的時隙使用效率；
N表示一個I秒幀周期中包含的全部可分配的時隙個數。
[0031]于是，節點i所需要的時隙個數為:
Ni = TNi / V(3)
如果父節點擁有k個子節點，則需要分別計算出NuN2,...Nk。
[0032](3)所述子節點根據所需的時隙數量Ni (1=1,2,…k)生成時隙申請包并發送給其父節點。
[0033](4)所述父節點收集時隙申請包后，回復時隙申請確認包，并統一為其所有的子節點分配時隙。
[0034]當各子節點的時隙需求之和沒有超過父節點可以分配的總量時，即N1 + N2 +...+Nk＞ N，父節點按照各子節點的實際時隙需求分配時隙；
當各子節點的時隙需求之和超過自己可以分配的總量時，即N1 + N2 +…+ Nk > N，則父節點按照各子節點的時隙需求所占時隙需求之和的比例進行分配，于是，子節點i分得的時隙數為:
N' = NXNi / (N1 + N2+…+ Nk)(4)
式⑷中:
N為一個I秒幀周期中包含的全部可分配的時隙個數。
[0035]采用先滿足父節點再滿足子節點的時隙分配策略，本節點為自己的子節點分配時隙時必須遵循自己父節點的時隙分配意愿，這樣為子節點分配的時隙不影響父節點為自己分配的時隙，也就是子節點優先考慮與其父節點的時隙需求，在此前提下再考慮子節點與其孫節點的時隙需求。
[0036](5)所述父節點生成時隙分配結果包，并逐一發給各子節點，各子節點回復時隙分配更新確認包進行確認。
[0037]作為其他可以變換的實施方式，上述施例中的時隙也可以是帶寬，同步Mesh網絡可以依據上述實施例中的時隙分配方法進行帶寬分配。
[0038]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明創造的保護范圍之中。
【權利要求】
1.一種同步Mesh網絡的時隙分配方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)各節點根據自己的業務量大小計算出需要的時隙數量； (2)所述節點根據所需的時隙數量生成時隙申請消息并發送給其父節點； (3)所述父節點收集時隙申請消息后，統一為其所有的子節點分配時隙； (4)所述父節點生成時隙分配結果包，并發給各子節點。
2.根據權利要求1所述的同步Mesh網絡的時隙分配方法，其特征在于，所述步驟(I)中，所述業務量大小根據歷史業務量和當前數據緩沖區中的業務量計算得出。
3.根據權利要求1或2所述的同步Mesh網絡的時隙分配方法，其特征在于，所述計算業務量大小的方法如下: 業務量TNi的計算公式如下: 其中， TNi為節點i的業務量大小； 入為加權因子，取值范圍O?I之間； Tifsi為節點i所有轉發的業務量，歷史統計時間t內； T i為節點i所有發送失敗和丟棄的業務量，歷史統計時間t內； TBi為表示節點i當前業務緩沖區內待發送的業務量； D為待發送業務量的排隊時間限制，或為排隊業務量的最長發送時間； δ為用于進行數據傳輸的時隙使用效率。
4.根據權利要求1-3中任一權利要求所述的同步Mesh網絡的時隙分配方法，其特征在于:在所述步驟(3)中，統一為子節點分配時隙的方法如下: 當各子節點的時隙需求之和沒有超過父節點可以分配的總量時，父節點按照各子節點的實際時隙需求分配時隙； 當各子節點的時隙需求之和超過自己可以分配的總量時，則父節點按照各子節點的時隙需求所占時隙需求之和的比例給各子節點分配相應的時隙。
5.根據權利要求1-4中任一權利要求所述的同步Mesh網絡的時隙分配方法，其特征在于，在所述步驟(3)中，采用先滿足父節點自身的時隙需求再滿足其子節點的時隙需求的分配策略。
6.根據權利要求1-5中任一權利要求所述的同步Mesh網絡的時隙分配方法，其特征在于，在步驟(I)前，新節點在入網階段，采用初始的時隙分配方案，用于進行鏈路質量測試和入網認證協議數據的交互工作。
7.根據權利要求1-6中任一權利要求所述的同步Mesh網絡的時隙分配方法，其特征在于，在所述步驟(I)之前，還包括初始的時隙分配步驟，所述初始的時隙分配方案為，新節點的父節點根據自己子節點的個數，把所有能用于和子節點通信的時隙數的平均量分配給新入網節點。
【文檔編號】H04W72/04GK103442440SQ201310324272
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年7月30日 優先權日:2013年7月30日
【發明者】鄢春娥, 白羽 申請人:白羽, 鄢春娥